下肢骨畸形在線(xiàn)輔助診斷仿真系統(tǒng)①

欒吉山,趙相偉,崔維頂,馮 康,吳 博

1(山東科技大學(xué) 山東省基礎(chǔ)地理信息與數(shù)字化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青島 266590)

2(南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院 骨科,南京 210029)

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和時(shí)代的進(jìn)步,計(jì)算機(jī)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué),因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的便捷和普及,以瀏覽器為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到了發(fā)展,在大量軟件應(yīng)用設(shè)計(jì)中,客戶(hù)端/服務(wù)器(Client/Server,C/S)逐漸不再滿(mǎn)足需要,瀏覽器/服務(wù)器(Browser/Server,B/S)結(jié)構(gòu)得到了人們的青睞[1].現(xiàn)有的Mimics 等醫(yī)療軟件不僅需要安裝應(yīng)用程序,而且操作也十分麻煩.Web 應(yīng)用因?yàn)槠錈o(wú)需安裝并且更新維護(hù)方便的特點(diǎn),吸引了越來(lái)越多的學(xué)者的注意,設(shè)計(jì)了許多基于Web的醫(yī)學(xué)可視化系統(tǒng).如李偉波等人開(kāi)發(fā)了醫(yī)學(xué)圖像處理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)提交、在線(xiàn)閱覽[2];李煒等人為醫(yī)療措施不完善地區(qū)開(kāi)發(fā)了一對(duì)一遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)病患遠(yuǎn)程會(huì)診[3];黃志峰等人基于Node.js 技術(shù)開(kāi)發(fā)了病理對(duì)照檢索系統(tǒng)[4];陳哲等人開(kāi)發(fā)了醫(yī)學(xué)圖像半自動(dòng)標(biāo)注系統(tǒng),解決了手工標(biāo)注勞動(dòng)強(qiáng)度大的問(wèn)題[5];湯超、王常坤等人開(kāi)發(fā)了閱片系統(tǒng)[6,7];Jong 等人開(kāi)發(fā)了收集血壓和心臟病例的Web 系統(tǒng)用于跟蹤用戶(hù)的健康狀況[8];陳欣等人開(kāi)發(fā)了具有三維可視化功能的電子書(shū)簽系統(tǒng),輔助影像診斷[9];聶澤花等人開(kāi)發(fā)了影像存儲(chǔ)共享系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)臨床示教過(guò)程中影像的快速共享[10];Rybarczyk 等人開(kāi)發(fā)了動(dòng)作矯正平臺(tái)用來(lái)指導(dǎo)髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者的康復(fù)訓(xùn)練[11];萬(wàn)兵等人開(kāi)發(fā)了醫(yī)療影像共享平臺(tái)[12];何滋魚(yú)、董默、劉兆明等人開(kāi)發(fā)了三維重建系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)模型的三維重建[13-15];Popescu 等人開(kāi)發(fā)了骨科協(xié)作平臺(tái)用于為用戶(hù)提供指南和信息共享[16].但這些系統(tǒng)并不是專(zhuān)門(mén)針對(duì)于下肢骨畸形問(wèn)題,無(wú)法滿(mǎn)足下肢骨畸形手術(shù)輔助診斷的需要.

為了達(dá)到對(duì)下肢骨畸形手術(shù)提供輔助作用的目的,設(shè)計(jì)了一種基于開(kāi)源架構(gòu)的下肢骨畸形在線(xiàn)輔助診斷仿真系統(tǒng).該系統(tǒng)主要由3 部分構(gòu)成,包括瀏覽器、服務(wù)器和后臺(tái)處理程序.

1 需求分析

當(dāng)前醫(yī)生診斷時(shí)所采用的輔助系統(tǒng)大多數(shù)是一些二維影像瀏覽平臺(tái),輔助功能極其有限.首先,二維影像無(wú)法讓我們從整體上觀(guān)察和分析雙下肢各骨骼的相對(duì)空間關(guān)系;其次,從圖像上無(wú)法實(shí)現(xiàn)多角度觀(guān)察和分析畸形部位的特征和空間位置關(guān)系;最后,圖像中包含的細(xì)節(jié)信息醫(yī)生也無(wú)法完全掌握.

為了滿(mǎn)足輔助醫(yī)生診斷的需要,本文設(shè)計(jì)的基于開(kāi)源架構(gòu)的下肢骨畸形在線(xiàn)輔助診斷仿真系統(tǒng),需要構(gòu)建下肢骨三維重建模塊,以取代Mimics 等繁瑣、費(fèi)時(shí)的商業(yè)軟件,為醫(yī)生提供用于三維分析的股骨、脛骨和腓骨精細(xì)模型;需要構(gòu)建人工關(guān)節(jié)模塊,以滿(mǎn)足關(guān)節(jié)置換等手術(shù)的需要;需要構(gòu)建包括測(cè)量工具、細(xì)節(jié)查看、精確定位等在內(nèi)的多種影像觀(guān)察與輔助診斷工具,以滿(mǎn)足畸形部位定性定量需要;需要建立信息管理模塊,以完成DICOM 影像和三維模型信息的存儲(chǔ),便于醫(yī)生隨時(shí)在線(xiàn)查看病例資料,便于病情的追蹤.

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以為下肢骨畸形診斷與手術(shù)規(guī)劃提供輔助支持為重點(diǎn),總體框架如圖1所示,包括用戶(hù)層、前端表現(xiàn)層、數(shù)據(jù)層與業(yè)務(wù)邏輯層4 個(gè)部分.用戶(hù)層包括各大瀏覽器,無(wú)需下載插件,任何一部電腦都可以快速實(shí)現(xiàn)操作;前端表現(xiàn)層包括登錄注冊(cè)、數(shù)據(jù)可視化、下肢骨三維重建、人工關(guān)節(jié)和信息管理等5 個(gè)功能模塊;業(yè)務(wù)邏輯層完成了客戶(hù)端和服務(wù)器的規(guī)則制定;數(shù)據(jù)層包括BMP、DICOM 圖像、OBJ 模型、套圖壓縮文件等.

圖1 系統(tǒng)框架圖

2.2 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

Web 客戶(hù)端是進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化和人機(jī)交互操作的界面,功能設(shè)計(jì)方面必須滿(mǎn)足用戶(hù)的需求.主界面主要分為4 個(gè)區(qū)域,分別是目錄樹(shù)區(qū)域、工具欄區(qū)域、可視化窗口和信息顯示窗口.

二維可視化:為了方便用戶(hù)通過(guò)瀏覽圖像,尋找畸形部位.系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)二維圖像的可視化,包括BMP、DICOM 等格式單張或批量圖像的加載顯示.并且需要在前端平臺(tái)編制各種輔助性功能的工具,實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的標(biāo)注、測(cè)量、播放等交互操作,以達(dá)到手術(shù)輔助效果.二維可視化主要在Cornerstone.js的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā),二維交互工具主要基于CornerstoneTools.js 完成.

三維可視化:由于二維圖像并不能充分的顯示畸形部位的特征和位置關(guān)系,難以使用戶(hù)對(duì)畸形有準(zhǔn)確的認(rèn)知,這就需要系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三維模型的重建與可視化,這里主要包括3 個(gè)模塊:OBJ 模型可視化、下肢骨三維重建和人工關(guān)節(jié)重建.分別實(shí)現(xiàn)了:三維OBJ 模型的可視化;股骨、脛骨和腓骨的三維重建及可視化;人工關(guān)節(jié)和缺損骨骼的三維重建及可視化,如圖2所示.其中模型在前端的顯示、交互工具的編寫(xiě)主要基于Three.js庫(kù),后臺(tái)的三維重建程序主要基于VTK 實(shí)現(xiàn).

圖2 系統(tǒng)功能框架

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境

(1)Django 框架

Django是使用Python 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的、采用了MTV框架模式的Web 開(kāi)源框架.即M (Model):代表數(shù)據(jù)層,通過(guò)編寫(xiě)算法,從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取數(shù)據(jù);T (Template):代表前端表現(xiàn)層,負(fù)責(zé)頁(yè)面的展示;V (View):代表業(yè)務(wù)邏輯層,負(fù)責(zé)完成前后端邏輯的制定,如圖3所示.

圖3 Django MTV 框架

Django 工具多、框架大、要素已集成且全面,使用簡(jiǎn)單方便.結(jié)合Python 語(yǔ)言成為快速開(kāi)發(fā)網(wǎng)站的最優(yōu)組合.借此開(kāi)發(fā)人員可以輕松地完成網(wǎng)站的編寫(xiě).

(2)Three.js 與VTK 開(kāi)源庫(kù)

3D 技術(shù)具有十分明顯的優(yōu)點(diǎn),它可以使用戶(hù)更加直觀(guān)的瀏覽所需內(nèi)容.但Mimic 等3D 軟件需要安裝,不易于操作.實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)三維模型可視化也面臨著諸多困境.WebGL的出現(xiàn)解決了這個(gè)問(wèn)題,WebGL是一種符合HTML5 規(guī)范的3D 圖像繪制標(biāo)準(zhǔn),它為Canvas標(biāo)簽提供了渲染服務(wù),開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)JS 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)三維圖形的繪制,自由展示模型.原生WebGL 開(kāi)發(fā)困難,Three.js是基于原生WebGL 封裝的3D 引擎庫(kù),使接口更簡(jiǎn)單.封裝了調(diào)整對(duì)象展示所需的場(chǎng)景、相機(jī)、決定繪制方式的渲染器等要素.無(wú)需專(zhuān)業(yè)的學(xué)習(xí)就可以讓用戶(hù)簡(jiǎn)單的制作三維模型.

VTK (Visualization ToolKit)是一個(gè)基于C++開(kāi)發(fā)的、以O(shè)penGL為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的開(kāi)源跨平臺(tái)庫(kù).其具有面向Python的接口,滿(mǎn)足Python 編程的需要;通過(guò)將一些常用的算法封裝好,使我們無(wú)需重復(fù)編寫(xiě),如MC 面繪制算法;具有強(qiáng)大的圖形處理和三維可視化功能.后臺(tái)三維重建程序主要基于VTK 開(kāi)源架構(gòu)實(shí)現(xiàn).三維可視化的實(shí)現(xiàn)主要依靠于后臺(tái)處理程序,客戶(hù)端只返回顯示程序最終結(jié)果.

(3)Cornerstone.js 與CornerstoneTools.js 開(kāi)源庫(kù)

3.2 功能實(shí)現(xiàn)

3.2.1 三維模型構(gòu)建

(1)下肢骨三維模型構(gòu)建

下肢骨三維重建是本系統(tǒng)中研發(fā)的最重要的兩個(gè)功能模塊之一,通過(guò)JS 撰寫(xiě)瀏覽功能上傳文件,前端的請(qǐng)求會(huì)以字符串形式提交至后臺(tái),由Web 服務(wù)器接收并置于JSON 中,調(diào)用OpenCV、Skimage、VTK 等開(kāi)源架構(gòu)編寫(xiě)后臺(tái)去床程序、分離程序、補(bǔ)洞程序和三維重建程序,調(diào)用Three.js、jQuery.js 等開(kāi)源架構(gòu)編寫(xiě)前端模型射線(xiàn)點(diǎn)拾取、畫(huà)板工具,逐步對(duì)套圖進(jìn)行處理,將渲染后的結(jié)果以二維形式與JSON 字符串傳至客戶(hù)端并且顯示.

下肢骨三維重建模塊實(shí)現(xiàn)了下肢骨的高度自動(dòng)化精細(xì)三維重建,步驟流程如算法1.

?

此下肢骨三維重建模塊的好處在于后臺(tái)程序自動(dòng)完成CT 掃描床去除、噪聲去除;剔除了盆骨、腳骨;并且將下肢骨分為股骨、腓骨和脛骨3 個(gè)獨(dú)立模型,如圖4所示,減少對(duì)象間的干擾,方便單個(gè)模型畸變識(shí)別觀(guān)察,并實(shí)現(xiàn)了孔洞修補(bǔ),生成精細(xì)模型,為以后研究的模擬矯正打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ).全過(guò)程除少量人工干預(yù),基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,傻瓜式、流水式的操作,使用戶(hù)無(wú)需過(guò)多學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)知識(shí)就能完成下肢骨三維重建,操作步驟的簡(jiǎn)易性使得軟件更容易推廣.

圖4 三維可視化界面

(2)人工關(guān)節(jié)三維模型構(gòu)建

人工關(guān)節(jié)模塊是系統(tǒng)最重要的兩個(gè)模塊之一,人工關(guān)節(jié)模塊主要用于人工關(guān)節(jié)置換等手術(shù)后復(fù)查,對(duì)人工關(guān)節(jié)和相鄰骨骼進(jìn)行三維重建,通過(guò)前端上傳壓縮文件,后臺(tái)接收解壓,調(diào)動(dòng)人工關(guān)節(jié)重建程序,分別完成人工關(guān)節(jié)和骨骼的三維重建,如圖5所示,并在前端窗口顯示.該模塊實(shí)現(xiàn)了一鍵自動(dòng)重建,用戶(hù)無(wú)需人工干預(yù).前端窗口可以顯示多個(gè)三維模型,各模型可以控制顯示或隱藏,在Three.js的支持下實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、放大、縮小等三維交互操作,便于用戶(hù)觀(guān)察細(xì)節(jié),分析手術(shù)情況.

圖5 人工關(guān)節(jié)界面

該模塊在術(shù)后復(fù)查或者多年以后人工關(guān)節(jié)磨損替換中,具有較高的作用.用戶(hù)能夠根據(jù)相關(guān)影像建立人工關(guān)節(jié)和下肢骨的三維模型,便于手術(shù)前計(jì)劃的制定和人工關(guān)節(jié)磨損情況的定期復(fù)查,使用戶(hù)更好的掌握病情及術(shù)后康復(fù)情況.

3.2.2 影像觀(guān)察與輔助診斷工具

對(duì)于牛羊養(yǎng)殖而言，只需要做好四方面的工作即可，其一是疫病防控，其二是圈舍修建，其三是草料，其四就是糞污處理。

(1)影像對(duì)比觀(guān)察

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了雙視圖對(duì)比查看,通過(guò)分窗顯示功能,在不同的窗口顯示不同的影像,既可以是同一期不同位置的影像,也可以是不同時(shí)期拍攝的影像.通過(guò)雙視圖對(duì)比,我們可以清楚的發(fā)現(xiàn)畸形區(qū)域,不同時(shí)期的圖像對(duì)比也方便醫(yī)生追蹤術(shù)前畸形的變化情況和術(shù)后畸形的康復(fù)情況.

(2)DICOM 動(dòng)態(tài)展示

實(shí)現(xiàn)DICOM 文件的動(dòng)態(tài)展示.在cornerstone.js的支持下,客戶(hù)端上傳壓縮文件,調(diào)用后臺(tái)解壓處理程序完成解壓處理,指定加載列表,進(jìn)入DICOM 套圖可視化界面.通過(guò)手動(dòng)或自動(dòng)模式的播放,實(shí)現(xiàn)DICOM動(dòng)態(tài)展示功能.便于醫(yī)生快速掌握下肢骨整體情況和快速定位畸形位置.

(3)輔助診斷工具

在cornerstoneTools.js的基礎(chǔ)上完成工具欄的建設(shè),實(shí)現(xiàn)測(cè)量工具、灰度變換、細(xì)節(jié)查看、精確定位和影像瀏覽5 個(gè)二維交互功能模塊,如圖6所示.

圖6 輔助診斷工具

1)測(cè)量工具

在診斷中,為了對(duì)畸形區(qū)域進(jìn)行定性和定量的表示.系統(tǒng)設(shè)計(jì)了角度測(cè)量、灰度測(cè)量、直線(xiàn)測(cè)量和面積測(cè)量4 種測(cè)量工具,其中面積測(cè)量分為:橢圓面積測(cè)量、長(zhǎng)方形面積測(cè)量和自由測(cè)區(qū)測(cè)量以及相應(yīng)的清除、擴(kuò)展、保存、恢復(fù)上次保存等功能,如圖7所示.

圖7 二維交互界面

2)灰度變換

在診斷中,為了更好的觀(guān)察畸形部位和下肢骨組織,改善圖像畫(huà)質(zhì).設(shè)置鼠標(biāo)點(diǎn)擊事件,通過(guò)按住鼠標(biāo)上下拖動(dòng)實(shí)現(xiàn)調(diào)整窗位/窗寬或進(jìn)行反色顯示.使圖像層次更加豐富,不同組織更容易分辨.

3)細(xì)節(jié)觀(guān)察

在診斷中,為了使醫(yī)生更加方便觀(guān)察畸形部位的細(xì)節(jié).通過(guò)調(diào)整Canvas 坐標(biāo)和圖像坐標(biāo)之間的變換矩陣實(shí)現(xiàn)放大、縮小、位移等功能.

4)精確定位

在診斷中,為了使醫(yī)生能夠快速定位顯示可疑切片.通過(guò)在主窗口左側(cè)批量顯示縮略圖,實(shí)現(xiàn)縮略圖點(diǎn)擊可視化的功能.醫(yī)生通過(guò)瀏覽縮略圖,實(shí)現(xiàn)診斷過(guò)程中的畸形精準(zhǔn)定位.

3.2.3 信息管理

信息管理模塊用于管理記錄病人的基本信息.包括:Patient Tag:患者姓名、出生日期、性別、身高體重等;Study Tag:檢查日期、檢查部位、檢查時(shí)年齡等;Seriesm Tag:圖像方位、層厚等;Image Tag:總行數(shù)、總列數(shù)、像素間距等信息,還包括儀器型號(hào)、所在單位等信息,還管理了DICOM 影像和三維模型存儲(chǔ)信息,可供醫(yī)生隨時(shí)在線(xiàn)查看病例資料,便于病情在線(xiàn)診斷與跟蹤.

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)以Pycharm2019為開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì),整體架構(gòu)為B/S 結(jié)構(gòu),客戶(hù)端采用Chrome 瀏覽器;Web 服務(wù)器采用Django 框架;數(shù)據(jù)庫(kù)使用MySQL;后臺(tái)程序采用Python 語(yǔ)言.以AJAX 通訊;數(shù)據(jù)通信采用JSON 格式.數(shù)據(jù)采用大小為512×512的患者下半身DICOM 影像.

測(cè)試機(jī)型為筆記本電腦,配置為CPU:酷睿i74510U處理器,內(nèi)存:4 GB,顯卡:英特爾HD Graphics Family.使用Win10 系統(tǒng)的IE 瀏覽器、Chrome 瀏覽器、Google瀏覽器和360 瀏覽器進(jìn)行測(cè)試.運(yùn)行結(jié)果表明4 種瀏覽器都能很好地顯示圖像,工具欄工具均能實(shí)現(xiàn),系統(tǒng)運(yùn)行速度也能滿(mǎn)足實(shí)際需要.具體運(yùn)行結(jié)果以Google瀏覽器為例說(shuō)明.

系統(tǒng)主界面如圖8所示,圖8(a)左側(cè)為菜單目錄樹(shù)區(qū)域,中間窗口為DICOM 加載可視化,右下側(cè)為工具欄區(qū)域.圖8(b)為下肢骨三維重建后,返回結(jié)果三維可視化,模型成功剔除盆骨、腳骨,完成股骨、脛骨和腓骨的分離,生成的模型光滑無(wú)洞,細(xì)節(jié)處理較好,可以控制每個(gè)骨頭顯示或者隱藏,對(duì)于畸變識(shí)別非常有利.圖8(c)為人工關(guān)節(jié)重建后的人工關(guān)節(jié)可視化,可以通過(guò)按鈕控制人工關(guān)節(jié)和骨骼的顯示.圖8(d)為DICOM套圖批量可視化子窗口,窗口左側(cè)為縮略圖窗口,上方為工具欄,可實(shí)現(xiàn)多種交互操作.

圖8 主界面及各子界面

5 結(jié)論

本系統(tǒng)基于下肢骨畸形手術(shù)的需要,開(kāi)發(fā)了一種基于開(kāi)源架構(gòu)的下肢骨畸形在線(xiàn)輔助診斷仿真系統(tǒng),用于幫助用戶(hù)尋找畸形.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,該系統(tǒng)可視化清晰、功能全面并且基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、操作簡(jiǎn)單無(wú)需較多的專(zhuān)業(yè)知識(shí)、基于B/S 架構(gòu)無(wú)需下載插件,能夠滿(mǎn)足早期軟件設(shè)計(jì)的需要.其實(shí)用價(jià)值較高,既能在前期從二維和三維方向輔助醫(yī)生快速的找到畸形問(wèn)題,又能為后期人工關(guān)節(jié)置換等手術(shù)復(fù)查中提供確切資料,所存儲(chǔ)的病例信息也可以被用戶(hù)隨時(shí)查閱比較,便于掌握病情進(jìn)展?fàn)顩r.該系統(tǒng)具有很大的潛力,下一步將要研究如何在系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)畸形的自動(dòng)識(shí)別與矯正.